城市軌道交通交流轉(zhuǎn)轍機雙UPS雙母線供電切換方案研究

劉平

（中鐵上海設計院集團有限公司，上海 200070）

0 引言

信號電源系統(tǒng)設備為信號系統(tǒng)提供安全、可靠的交直流電源，在信號系統(tǒng)中處于重要地位。同時，轉(zhuǎn)轍機作為道岔轉(zhuǎn)換、鎖閉和保證行車安全的核心設備，對提高運輸效率，改善行車人員的勞動強度起著非常重要的作用。因此，對于核心信號設備正常運行必須有效防止供電側(cè)和負載側(cè)異常導致的損壞和停止工作。特別是在設備供電側(cè)發(fā)生故障時能不依靠人工介入處理，通過信號系統(tǒng)實現(xiàn)快速無縫切換，最大限度地降低故障恢復時間，保障信號設備能夠穩(wěn)定可靠運行，為信號系統(tǒng)提供可靠的電力保障。

1 概述

信號系統(tǒng)電源由兩路相互獨立的交流TN-S 制一級負荷經(jīng)電源屏切換單元后輸出至UPS，再經(jīng)UPS 穩(wěn)壓、整流、濾波后輸出至各個輸出模塊，通過交、直流模塊輸出至負載。但所有交流電均須通過隔離變壓器與負載隔離，所以UPS 可靠性對整個信號系統(tǒng)的正常工作起到至關(guān)重要的作用。

國內(nèi)城市軌道交通信號系統(tǒng)UPS 較早采用單UPS 單電池系統(tǒng)連接方式，為了提高系統(tǒng)的可靠性和更好地適應全自動無人駕駛、智能運維相關(guān)需求，需在外電網(wǎng)斷電或電源設備本身故障時，縮短故障恢復時間，保障列車的正常安全運營。雙UPS 雙母線供電系統(tǒng)已經(jīng)得到了廣泛的應用，與UPS 配套的蓄電池也需要按照冗余配置以構(gòu)成完整的雙母線架構(gòu)。而對于交流轉(zhuǎn)轍機電源通過交流模塊輸出有兩種方式：一是直接由兩路輸入切換單元輸出至交流模塊而不經(jīng)過UPS；二是由兩路切換單元經(jīng)UPS 后至交流模塊輸出。為更好地保障轉(zhuǎn)轍機正常運轉(zhuǎn)，并滿足信號設備的后備時間不宜小于30 分鐘相關(guān)要求，大多數(shù)線路已經(jīng)將轉(zhuǎn)轍機動作電源納入UPS 供電。在采用雙UPS雙母線和轉(zhuǎn)轍機動作電源納入UPS 供電的情況下，勢需要重點考慮轉(zhuǎn)轍機供電在雙母線間的切換問題。

2 雙UPS 雙母線架構(gòu)

目前主流雙UPS 電源系統(tǒng)均由2 臺高可靠性的UPS 給信號電源屏供電，經(jīng)防雷、配電后輸出進入交流輸出配電單元，或輸入相應電源模塊，模塊輸出進入交、直流輸出配電單元。交流輸出需經(jīng)隔離變壓器隔離后輸出給信號設備供電，直流輸出需經(jīng)模塊內(nèi)部高頻隔離后輸出給信號設備供電。在輸出端有多種保護監(jiān)控功能單元，為全面保護信號設備安全。

雙母線供電架構(gòu)可有效預防供電系統(tǒng)單點故障隱患（見圖1）。正常工作時，兩套UPS 系統(tǒng)雖然完全獨立運行，但是共同分擔所有電源負載，并各自帶載50%，即便一套系統(tǒng)完全失效或者需要檢修，另一段母線所對應的UPS 系統(tǒng)會不間斷地承擔起所有負載的正常運行，即通過消除系統(tǒng)中的“單點故障瓶頸”獲得系統(tǒng)供電可靠性的極大提高。

圖1 雙母線供電架構(gòu)示意圖

雙母線供電架構(gòu)最大的益處是解決了單母線結(jié)構(gòu)可能出現(xiàn)的單點故障瓶頸隱患，屬于容錯型系統(tǒng)，不會因為一段母線的人為操作失誤或自然故障導致負載供電中斷。在供電可靠性得到顯著改善的同時，由于正常運行時系統(tǒng)均分電源負載，也實現(xiàn)了系統(tǒng)容量的備份，在將來一定量級的負載容量增加時系統(tǒng)既有容量也已經(jīng)足夠，一定條件下無需再擴容。當負載增長真正需要擴容時，擴容和升級也會顯得十分方便，因為任何時候均可將其中的一套系統(tǒng)完全下電進行擴展處理。雙母線供電架構(gòu)的設計有著優(yōu)秀的開放性和良好的前瞻性。

對于單電源負載，系統(tǒng)通過“1+1”模塊備份模式為其供電，“1+1”模塊分別取電于UPS1、UPS2。對于雙電源負載，當任一臺UPS 或母線出現(xiàn)故障時，如主路電源發(fā)生故障，主路電源負載會停止工作，但是備用電源負載工作正常，因此故障不會影響末端電源負載的正常運行。而對于交流轉(zhuǎn)轍機的雙電源負載，當主用UPS 或供電母線發(fā)生供電故障時，為保障交流轉(zhuǎn)轍機在雙UPS 雙母線架構(gòu)下的供電可靠性，只能通過在雙母線處設置的轉(zhuǎn)換開關(guān)，經(jīng)過隔離變壓器、輸出防雷保護器隔離輸出給轉(zhuǎn)轍機設備供電，實現(xiàn)雙UPS間的切換。而目前各個城市軌道交通的交流轉(zhuǎn)轍機UPS 供電均采用較為成熟且應用廣泛的手動切換方式。轉(zhuǎn)轍機供電納入雙UPS 雙母線供電架構(gòu)下在雙母線間設置手動轉(zhuǎn)換開關(guān)，當母線發(fā)生故障時，通過人工介入現(xiàn)場處理，可實現(xiàn)較為快速的故障恢復，但對于越來越多的全自動無人駕駛線路，從減員增效、智能維護、較少人工干預等方面考慮，手動切換方式已不再適應當前的運營需要，應重點考慮向自動切換方式進行轉(zhuǎn)變（見圖2、圖3）。

圖2 雙UPS 雙母線不含穩(wěn)壓器（轉(zhuǎn)轍機電源未納入UPS）

圖3 雙UPS 雙母線含穩(wěn)壓器（轉(zhuǎn)轍機電源納入UPS）

電源屏的監(jiān)控系統(tǒng)采用三級集散式監(jiān)控方式，交、直流配電和模塊內(nèi)均設有CPU 監(jiān)控板，負責對各自狀態(tài)進行監(jiān)測和告警，并與系統(tǒng)的監(jiān)控模塊之間通信。監(jiān)控模塊通過RS485 接收交、直流配電和模塊的運行信息并進行相應的處理，其還可通過RS485、RS232、RJ45 等方式連接本地計算機，并可通過RJ45網(wǎng)口連接監(jiān)控中心，實現(xiàn)信號電源的集中監(jiān)控組網(wǎng)[1]。

3 自動切換方案分析

考慮到存在不同的運營管理模式，部分站點無長期駐守維保人員，一旦發(fā)生供電母線故障中斷電源故障，采用手動切換開關(guān)的轉(zhuǎn)轍機供電會造成一定的延誤影響。因此，將雙母線間的手動切換開關(guān)更改為自動切換方式（采用交流接觸器實現(xiàn)）可較好解決上述問題，通過交流接觸器實現(xiàn)切換功能。交流接觸器本質(zhì)是一個線圈，加電會吸合使電路導通，通過切換控制板，使其具有高壓吸合、低壓保持的特性，實現(xiàn)開關(guān)電氣互鎖，當此切換開關(guān)正常工作的時候，只有一個可以閉合，當其中任一路閉合都會有電流向下輸出。

在雙母線間設置交流轉(zhuǎn)轍機供電轉(zhuǎn)換開關(guān)SA（見圖4），電源系統(tǒng)正常時，輸入端開關(guān)QS11、QS12 閉合，供電轉(zhuǎn)換開關(guān)SA 處于“正常”位置，轉(zhuǎn)轍機供電由交流接觸器自動切換供電，當切換交流接觸器自身出現(xiàn)故障時，可手動將供電切換開關(guān)SA 轉(zhuǎn)至由“UPS1直供”或由“UPS2 直供”，保障轉(zhuǎn)轍機正常供電。交流轉(zhuǎn)轍機自動切換組件，使用2 臺交流接觸器及1 只交流繼電器，相互電氣互鎖完成2 路電源自動切換。KM1 與KM2 兩個接觸器實現(xiàn)電氣互鎖，當UPS1 母線先得電時，KA1 繼電器線圈的電吸合，由于KM1 電路中串接KA1 節(jié)點，繼而KM1 接觸器線圈的電吸合，轉(zhuǎn)轍機通過UPS1 母線供電。當UPS1 母線故障時，KM1 接觸器與KA1 繼電器均落下，使得KM2 接觸器線圈的電吸合，轉(zhuǎn)轍機切換到UPS2 母線供電。此時，若UPS1 母線供電恢復正常，因KA1 互鎖繼電器線圈不能得電，轉(zhuǎn)轍機繼續(xù)由UPS2 母線供電，不再切換回UPS1 母線供電，反之亦然（見圖5）[2]。

圖4 自動切換接線示意圖

圖5 自動切換原理圖

方案中設置KA1 交流繼電器是為了防止KM1 與KM2 同時吸起的現(xiàn)象出現(xiàn)，選用吸合時間為30～35ms 的接觸器和動作時間小于20ms 的交流繼電器。當UPS1 先上電或與UPS2 母線同時上電時，交流繼電器的動作時間小于接觸器的動作時間，因此KA1 先吸起，KM1 接觸器動作吸合，轉(zhuǎn)轍機由UPS1 母線供電.當UPS2 先上電時，交流接觸器先得電，此時KM2 接觸器動作吸合，轉(zhuǎn)轍機由UPS2 母線供電。以上兩種情況均不會出現(xiàn)KM1 與KM2 同時吸起，杜絕了短路故障的發(fā)生。同時，將接觸器納入電源和智能運維監(jiān)測系統(tǒng)，接觸器在動作的同時可向監(jiān)測單元發(fā)出狀態(tài)信息，由監(jiān)測單元實時掌握轉(zhuǎn)轍機供電狀態(tài)，當轉(zhuǎn)轍機由UPS1 母線供電時，監(jiān)測單元顯示“轉(zhuǎn)轍機UPS1供電”，當轉(zhuǎn)轍機由UPS2 母線供電時，監(jiān)測單元顯示“轉(zhuǎn)轍機UPS2 供電”[3]。

此外，設計時考慮到維修旁路的需要，當UPS1 母線需要維護時，可先手動按下SB1 轉(zhuǎn)換按鈕，將轉(zhuǎn)轍機切換至UPS2 母線供電。當UPS2 母線需要維護時，手動按下SB2 轉(zhuǎn)換按鈕，將轉(zhuǎn)轍機切換至UPS1 母線供電（見圖6）。

圖6 操作界面示意圖

4 結(jié)語

隨著城市軌道交通信號設備的不斷更新迭代，電源系統(tǒng)也逐步向更智能化、模塊化方向轉(zhuǎn)變，適用性、可靠性、可維護性進一步提升。雙UPS 雙母線供電架構(gòu)下的交流轉(zhuǎn)轍機供電由手動切換向自動切換方式的轉(zhuǎn)變，契合了當前智能運維和全自動無人駕駛的需要，最大限度地減少了電源側(cè)設備故障引起的轉(zhuǎn)轍機失電無法動作的情況，同時選用合理的接觸器和繼電器，確保了電路短路故障的發(fā)生，對后續(xù)無論是新建工程還是改造工程都具有一定的參考應用意義。